光电子技术第1章光源

第1章光源1.1辐射度学与光度学的基础知识1.2热辐射光源1.3气体放电光源1.4激光器1.5发光二极管(LED)一切能产生光辐射的辐射源都称为光源天然光源人造光源电磁波谱按照发光机理，光源的分类：需要了解各类光源的发光机理、重要特性、适用场合，以便正确选用光源。发光二极管半导体激光器染料激光器固体激光器气体激光器激光器氘灯氙灯金属卤化物灯钠灯汞灯气体放电光源白炽灯、卤钨灯太阳、黑体辐射器热辐射光源光源光纤激光器发光二极管1.1辐射度学与光度学的介绍描述光辐射的一套参量一、辐射度的基本物理量1.辐射能单位为J（焦耳）2.辐射通量又称辐射功率单位为W（瓦、焦耳每秒）3.辐射强度描述点辐射源的辐射功率在不同方向上的分布。eQe,eI基础知识(,)eedId单位:（瓦每球面度）Wsr4.辐射出射度与辐射亮度eM,eBeedMdS单位：（瓦每平方米）2Wm2(,)(,coscoseeeddIBdSddS）单位：（瓦每球面度平方米）2Wsrm的定义的定义eM,eB5.辐射照度eLeedLdS单位：（瓦每平方米）2Wm6.光谱辐射量辐射量的光谱密度，辐射量随波长的变化率。光谱辐射通量与波长的关系()e()eedd0()eed其它辐射度量都有类似关系。二、光度的基本物理量1.光谱光视效率V(λ):人眼对各种光波长的相对灵敏度详见表1.12.光度量光度量与辐射度量是一一对应的。辐射度量是客观物理量，光度量体现了人的视觉特性。⑴光能单位：lm·s（流明·秒）⑵光通量单位：lm（流明）⑶发光强度单位：cd（坎德拉）发光强度是光度量中最基本的单位。在明视觉时，规定：时，vvdIdvQvvIvI555nm111683lmWcdsrsr即：1W=683lm此时，V(λ）=1555nmV(λ）＜11W＜683lm时，可见，辐射通量与光通量之间的换算关系：1W=683V(λ）lm，定义：Km=683lm/W()()()vmeKV0()()vmeKVd有关系式：⑷光出射度与光亮度vMvBvvdMdS单位：lm/m22coscosvvvddIBdSddS单位：cd/m2实用单位：sb(熙提)1sb=104cd/m2⑸光照度vLvvdLdS单位：lx（勒克斯）1lx=1lm/m2普适关系式：0()()VmeXKVXd三、光源的辐射效率与发光效率21()eeedPP0()()mevvKVdPP辐射效率发光效率单位：lm/W1.2热辐射光源一、理想的热辐射光源α(λ，T)=1—绝对黑体在热平衡条件下,,,ebebMTTLT绝对黑体热辐射能力最强。由于内部原子、分子的热运动而产生辐射的光源辐射光谱是连续光谱215(,(1)ebcTcMTe）普朗克公式5mhckT40,ebebMTMTdT维恩位移定律斯蒂芬—玻尔兹曼定律随着温度T的升高，峰值波长向短波方向移动，总出射度迅速增加。mebMT绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布灰体：α(λ，T)＜1的热辐射光源，具有与绝对黑体类似的辐射规律。色温；相关色温1.太阳与黑体辐射器二、实际的热辐射光源太阳的光谱分布非常接近于绝对黑体黑体辐射器：科学制作的小孔空腔结构，可以很好地实现绝对黑体的辐射功能。常用作标准光源，最高工作温度是3000K。2.白炽灯与卤钨灯灰体钨丝做灯丝玻璃泡壳;色温约2800K,辐射光谱约0.4～3μm。可见光占6～12%，用于照明；加红外滤光片可作为近红外光源。石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物（如溴化硼）;形成卤钨循环。色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。发光效率可达30lm/W(为白炽灯的2～3倍)，作仪器白光源.卤钨灯白炽灯1.3气体放电光源发光机理：气体放电。泡壳：用玻璃或石英等材料制造；电极：阴极、阳极或不区分（交流灯）泡壳内充入发光用的气体：金属蒸气、金属化合物蒸气、惰性气体基本结构气体放电光源的特点：①发光效率高,节能。②电极牢固紧凑，耐震，抗冲击。③寿命长，比白炽灯长2～10倍。④辐射光谱可以选择，只要选用适当的发光材料。一、汞灯泡壳内充汞蒸气1.低压汞灯作253.7nm紫外光源；作荧光灯（…日光灯）。2.高压汞灯可见辐射加强，呈带状光谱，可作高效照明光源。3.球形超高压汞灯很好的蓝绿光点光源。二、钠灯泡壳内充的是氖氩混合气体与金属钠滴。低压钠灯：发出波长589nm、589.6nm两条谱线的单色光源。高压钠灯：接近白光，亮度高，用于照明光源。三、金属卤化物灯泡壳内充的是金属卤化物气体。通过金属卤化物循环，提供足够的金属原子气体。铊灯（碘化铊）：绿光，峰值535nm。镝灯（碘化镝、碘化铊）：色温6000K。钠铊铟灯（碘化钠、碘化铊、碘化铟）：近白色光源,色温5500K。四、氙灯泡壳内充的是是惰性气体—氙。色温6000K，亮度高，被称为“小太阳”，寿命长。长弧氙灯:短弧氙灯:脉冲氙灯:日光色点光源大范围照明光源脉冲时间极短（nS～pS)，光很强,用于光泵、光信号源、照相制版、高速摄影五、氘灯泡壳内充有高纯度的氘气灯的紫外辐射强度高、稳定性好、寿命长，常用作连续紫外光源（185～400nm）。1.4激光器1.4.1激光器概述20世纪激光的诞生标志着人类对光子的掌握和利用进入了一个崭新的阶段。激光器的基本结构激光形成机理（1）光与原子作用的三种跃迁受激吸收处于低能态E1（基态）的原子，受光照满足hν=E2—E1原子可能吸收光子能量跃迁到高能态E2（激发态）。E2E1自发辐射处于高能态的原子不稳定，要自发从E2跃迁到E1，并发射一光子，光子能量满足hν=E2—E1。E2E1E2E1受激辐射处于高能态的原子，在自发辐射之前，受外来光子的诱发，在E2跃迁到E1的同时，发射一个与外来光子全同的（同方向、同频、同相位、同偏振）光子。依次不断地得到大量特征相同的光子，就实现了相干光的放大。（2）产生激光的条件①粒子数反转（前提条件）故使受激辐射大于受激吸收,必须:N2N1，即粒子数反转。热平衡下，原子的各能级分布服从玻尔兹曼分布定律：Ni=Aexp（-Ei/kT）于是：N2/N1=exp[-（E2-E1）/kT]设T=300K，E2-E1=10eV，则N2/N1=10-40。实现反转的物质叫激活介质（或者叫激光工作物）。激活介质需要外界输入能量。外界输入能量的过程叫“泵浦”。激活介质本身必需要有适当的能级结构。例如激光的三能级系统:泵浦使原子吸收能量跃迁到高能态E3。E3不稳定(平均寿命约10-8s)，无辐射跃迁到亚稳态E2（平均寿命约10~3~1s）。E2有可能积聚大量粒子，从而受激辐射。E1E2E3泵浦②光学谐振腔（必要条件）工作物两端对称地放置两反射镜。有谐振腔，偏离腔轴线的光子来回几次后最终逸出腔外。而沿轴线的光子来回反射，被增益介质连锁式光放大。无谐振腔的受激辐射方向是随机的。③阈值条件（决定性条件）有了激活介质和谐振腔还不一定输出激光。只有当光在腔内来回一次，增益大于损耗才能产生激光。虽然激活介质能使光得到增益放大；但介质吸收、散射；端面发射、透射等会产生光能损耗。描述工作物对光的放大能力,用I=IoeGx(G是增益系数)。于是,I2=I1eGLI1I2I3I4I5I3=r2I2=r2I1eGL(r2是镜2反射率)I4=I3eGL=r2I1e2GLI5=r1I4=r1r2I1e2GL(r1是镜1反射率)必须，I5I1，即:r1r2e2GL＞1r1r2e2GL＞1即为产生激光的阈值条件。机理激光形成•电泵浦或光泵浦；•造成工作物质中粒子数反转分布，自发辐射引发受激辐射；•谐振腔对辐射光波选频放大。特性激光的高亮度、方向性好、单色性好和相干性好激光将对21世纪的科技腾飞和产业革命产生深远的影响！激光技术为科学技术的发展打开了宽阔而又崭新的通道，在科学的各个领域创造了许多惊人的奇迹，在高新科学技术记录中创造了许多之最：１、激光能产生最大的能量密度。激光输出脉冲功率达13×1015W，亿度以上高温，能焊接、加工和切割最难熔的材料；２、激光能产生最高的压强。光压强达3×1011大气压，可以实现激光聚变点火；３、激光能产生最短的脉冲。780nm达4fs，相当该光1.5周期进入强场物理领域，用超短激光脉冲研究光合作用，能看到皮秒（1ps=10-12s）或飞秒（1fs=10-15s）内发生的变化；４、最精密光刻。能制造最小的光机电一体化设备，加工的最小机械零件从几微米到几十微米，制作的大规模集成线路的线宽可达到50nm，测量精度已达0.005μm；５、激光能产生最大的信息量。目前已接近3T（Tera即1012）目标，即通信传输容量Tbit/s，运算速度Tbit/s，三维立体存储密度Tbit/cm3；６、激光能产生最保密的通信系统。光量子通信是目前理论证明的最安全的通信系统，目前美国、日本、瑞士等几个国家建立了量子通信系统；７、激光能产生最低的温度。激光冷却可将原子冷却到20nK，接近绝对零度，量子冷却到基态，为量子光学和量子力学的实验研究准备了条件。已有数百种激光器，输出波长从近紫外直到远红外，辐射功率从毫瓦到万瓦、兆瓦级。1.气体激光器工作物质是气体或金属蒸气，通过气体放电实现粒子数反转。工作物质（气体）均匀性好，输出光束的质量相当高。2.固体激光器工作物质是掺杂的晶体或光学玻璃，光泵浦。有脉冲输出激光器和连续输出激光器。主要优点：能量大、峰值功率高、结构紧凑、坚固可靠和使用方便。3.染料激光器工作物质是有机染料溶液，光泵浦。输出激光波长可以在很宽范围内调谐，有极好的光束质量。有连续输出的激光器，也有脉冲输出的激光器。可产生超短光脉冲，峰值功率达几百MW。4.半导体激光器（LD）工作物质是半导体材料形成的P-N结。与结平面垂直的晶体解理面构成F-P谐振腔。对P-N结正向注入电流或光泵浦，可激发激光。体积小，重量轻，易调制，功耗低；波长覆盖面广（0.33～44μm）；能量转换效率高，有大功率、高集成度器件。主要优点5.光纤激光器工作物质主要是稀土掺杂的光纤，用光泵浦，谐振腔有多种形式。是近年来发展起来的新型激光器，具有一系列独特的优点。在光通信系统、光能源系统中都有重要作用。1.4.2固体激光器介绍几种代表性的固体激光器•YAG激光器基质晶体Y3Al5O12热物理性能优良，使激光器既可连续工作又可高效率脉冲工作。3:NdYAG输出波长1064nm，加倍频技术可输出532nm。已经实现了KW级大功率输出，广泛用于激光加工、激光医疗、科学研究之中。3:ErYAG输出波长2.94μm,用于激光医疗。YAGHo:3输出波长2.1μm,用于激光医疗,空间光通信。•可调谐的固体激光器323:OAlTi输出激光有宽的调谐范围（700-1000nm，峰值波长800nm），应用广泛，并实现飞秒脉冲。423:OBeAlCr可调谐范围700-800nm。采用调Q技术，输出755nm脉冲激光，在激光医疗中很重要。•激光二极管（LD）泵浦的固体激光器LD泵浦:实现高效率的能量转换,有端面泵浦和侧面泵浦。获得百瓦级高功率激光输出。下图是纵向、双端面泵浦一个横向、侧面泵浦的激光器市场上高功率的LD泵浦固体激光器都是用侧面泵浦方式，输出功率可达6000W以上。•非线性频率转换得到短波长固体激光器固体激光器的波长多在红外波段。用非线性材料进行波长转换,可得到短波长固体激光器。LD泵浦固体激光器与准相位匹配频率转换结合，以期制造出结构简单小巧、价格便宜的可调谐激光器。研究趋势用LD泵浦晶体得到1064nm激光，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到532nm绿激光。34:NdYVO还用非线性频率转换得到蓝光、紫外固体激光器。1